산림 생태계에 얼음 폭풍의 영향 시뮬레이션

요약

얼음 폭풍은 발생을 예측하는 데 어려움을 겪기 때문에 연구하기가 어려운 중요한 기상 현상입니다. 여기서는 동결 조건 동안 숲 캐노피 위에 물을 뿌리는 얼음 폭풍을 시뮬레이션하는 새로운 방법을 설명합니다.

초록

얼음 폭풍은 동결 조건을 경험하는 지역의 산림 생태계의 구조와 기능에 심오하고 지속적인 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 모델은 기후 변화에 대응하여 향후 수십 년 동안 얼음 폭풍의 빈도와 강도가 증가할 수 있어 그 영향을 이해하는 데 대한 관심이 높아지고 있다고 제안합니다. 얼음 폭풍의 금욕적 성격과 언제 어디서 일어날지 예측하는 데 어려움을 겪기 때문에, 얼음 폭풍의 생태학적 영향에 대한 과거 조사는 주요 폭풍에 따른 사례 연구에 기반을 두고 있습니다. 강렬한 얼음 폭풍이 극히 드문 사건이기 때문에 자연 발생을 기다려서 연구하는 것은 비현실적입니다. 여기서 우리는 필드 조건하에서 숲 플롯에 유약 얼음 이벤트의 시뮬레이션을 포함하는 새로운 대체 실험 접근 방식을 제시한다. 이 방법을 사용하면 물이 개울이나 호수에서 펌핑되고 공기 온도가 영하일 때 숲 캐노피 위에 분무됩니다. 물은 비가 내리고 차가운 표면과 접촉하면 얼어 붙습니다. 얼음이 나무에 축적됨에 따라 볼레와 가지가 구부러지고 부서지는 것입니다. 처리되지 않은 참조 스탠드와의 비교를 통해 정량화 될 수있는 손상. 설명된 실험적 접근법은 적용된 얼음의 타이밍과 양을 제어할 수 있기 때문에 유리합니다. 다양한 주파수와 강도의 얼음 폭풍을 생성하면 얼음 폭풍 영향을 예측하고 준비하는 데 필요한 중요한 생태 학적 임계값을 식별 할 수 있습니다.

서문

얼음 폭풍은 환경과 사회에 단기 및 장기적인 영향을 미칠 수있는 중요한 자연 장애입니다. 강렬한 얼음 폭풍은 나무와 작물을 손상시키고, 유틸리티를 방해하며, 도로 및 기타 인프라^1,,2를손상시키기 때문에 문제가됩니다. 얼음 폭풍이 일으키는 위험한 상태는 사고를 일으켜 부상과 사망자^2를초래할 수 있습니다. 얼음 폭풍은 비용이 많이 듭니다. 미국(미국)^3의재정적 손실은 연간 평균 3억 1,300만⁴달러로, 일부 개별 폭풍은 10억 4달러를 초과합니다. 산림 생태계에서 얼음 폭풍은 감소된 성장과 나무 사망률^5,,6,7,7화재 위험 증가, 해충 및 병원균의 확산^8,9,,910등의 부정적인 결과를 초래할 수 있다. 또한 살아남은 나무^5의 성장 증가와 생물 다양성¹¹증가와 같은 숲에 긍정적 인 영향을 미칠 수 있습니다. 얼음 폭풍으로 인한 영향을 예측하는 능력을 개선하면 이러한 사건에 더 잘 대비하고 대응할 수 있습니다.

얼음 폭풍은 얼어붙은 습한 공기층이 지상에 가까운 영하의 공기를 재고다클할 때 발생합니다. 차가운 층을 통과할 때 공기의 따뜻한 층에서 떨어지는 비는 과냉각되어 영하 표면에 증착될 때 유약 얼음을 형성합니다. 미국에서는 이러한 열 계층화는 특정^{지역(12,,13)의}특징인 시놉틱 기상 패턴에서 발생할 수 있다. 동결 비는 가장 일반적으로 강한 안티 사이클론¹³앞서 미국 을 가로 질러 남동쪽으로 이동 북극 전선에 의해 발생합니다. 일부 지역에서는 지형이 차가운 공기 댐밍을 통해 얼음 폭풍에 필요한 대기 조건에 기여하며, 들어오는 폭풍으로 인한 따뜻한 공기가 산맥^14,,15와함께 자리잡은 차가운 공기를 덮칠 때 발생하는 기상 현상이다.

미국에서는 메인에서 텍사스^{서부16,,17까지}이어지는 "얼음 벨트"에서 얼음 폭풍이 가장 흔합니다. 또한 태평양 북서부의 비교적 작은 지역, 특히 워싱턴과 오리건의 컬럼비아 강 유역 주변에서 얼음 폭풍이 발생합니다. 미국의 대부분은 적어도 일부 동결 비를 경험, 가장 얼음 경향이 지역은 7 개 이상의 동결 비 일 (동결 비의 적어도 한 시간별 관찰발생 하는 동안 일)의 중앙값을 가지고 북동부에서 가장 큰 금액으로^{매년 16.} 이러한 폭풍의 대부분은 상대적으로 사소한, 더 강렬한 얼음 폭풍이 발생 하지만, 훨씬 더 긴 재발 간격에도 불구하고. 예를 들어, 뉴잉글랜드에서는 50년 재발^{간격(18)이}있는 폭풍의 경우 방사형 얼음 두께의 범위는 19~32mm입니다. 경험적 증거에 따르면 북부 위도에서 얼음 폭풍이 점점 더 빈번해지고 있으며 남부^{19,,20,,21에서}덜 빈번해지고 있습니다. 이러한 경향은 향후 기후 변화 예측^22,,23을사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 계속될 것으로 예상됩니다. 그러나 데이터와 물리적 이해가 부족하여 다른 유형의 극단적 인 사건^(24)보다얼음 폭풍의 추세를 감지하고 투사하기가 더 어려워지게됩니다.

주요 얼음 폭풍은 비교적 드물기 때문에 연구하기가 어렵습니다. 언제 어디서 일어날지 예측하기는 어렵고, 일반적으로 연구 목적으로 폭풍을 "추적"하는 것은 비현실적입니다. 따라서 대부분의 얼음 폭풍 연구는 큰 폭풍우의 여파로 발생하는 계획되지 않은 사후 호크 평가되었습니다. 이 연구 접근 방식은 폭풍 전에 기준 데이터를 수집할 수 없기 때문에 이상적이지 않습니다. 또한, 얼음 폭풍이 지리적 으로 큰 정도를 커버 할 때 손상된 지역과 비교하기 위해 영향을받지 않는 지역을 찾기 어려울 수 있습니다. 자연 폭풍이 발생하기를 기다리는 대신, 실험적인 접근 방식은 착빙 이벤트의 타이밍과 강도를 면밀히 제어할 수 있고 적절한 참조 조건이 효과를 명확하게 평가할 수 있도록 하기 때문에 이점을 제공할 수 있습니다.

실험적 접근 방식은 특히 숲이 우거진 생태계에서도 어려움을 겪습니다. 나무와 캐노피의 높이와 너비는 낮은 키초원이나 관목에 비해 실험적으로 조작하기가 어렵습니다. 또한, 얼음 폭풍으로 인한 교란은 숲 캐노피를 수직으로 통과하고 시뮬레이션하기 어려운 풍경을 가로 질러 확산됩니다. 우리는 숲 생태계^25에서얼음 폭풍 의 영향을 시뮬레이션하려고 시도 한 다른 연구를 알고있다. 이 경우, 소총은 오클라호마의 로브롤리 소나무 스탠드에서 크라운의 52 %까지 제거하는 데 사용되었다. 이 방법은 얼음 폭풍의 특징인 결과를 생성했지만, 큰 가지를 제거하는 데 효과적이지 않으며 나무가 구부러지지 않아 자연 얼음 폭풍과 흔히 발생합니다. 얼음 폭풍을 구체적으로 연구하는 데 다른 실험 적인 방법은 사용되지 않았지만, 우리의 접근 방식과 다른 유형의 산림 교란 조작 사이에는 몇 가지 유사점이 있습니다. 예를 들어, 개별^나무(26)벌목,^{나무(27)를}거들링하여 산림 해충 침공,^28그루를 가지거나 윈치와^{케이블(29)로}전체 나무를 끌어당기는 허리케인을 통해 갭 역학을 연구하고 있다. 이러한 접근 방식 중, 가장 밀접하게 얼음 폭풍 영향을 모방 하지만 노동 집약적이고 비용이 많이 드는. 다른 접근 법은 자연 얼음 폭풍의 전형적인 사지와 가지의 부분 파손보다는 전체 나무의 사망률을 유발합니다.

이 논문에 설명된 프로토콜은 자연 얼음 폭풍을 면밀히 모방하는 데 유용하며 동결 조건 동안 숲 캐노피 위에 물을 뿌리고 유약 얼음 이벤트를 시뮬레이션합니다. 이 방법은 전체 나무를 가지치기또는 내리려는 것보다 적은 노력으로 넓은 지역에 걸쳐 숲 전체에 걸쳐 피해를 비교적 균등하게 분배할 수 있기 때문에 다른 수단에 비해 이점을 제공합니다. 또한, 얼음 의 양은 적용 된 물의 양을 통해 조절 할 수 있으며, 기상 조건이 최적의 얼음 형성에 도움이 될 때 스프레이 하는 시간을 선택 하 여. 이 새롭고 비교적 저렴한 실험 적 접근 방식은 삼림 생태계에서 중요한 생태 학적 임계 값을 식별하는 데 필수적인 착빙의 강도와 빈도를 제어 할 수 있습니다.

프로토콜

1. 실험 설계 개발

1. 사실적인 값을 기반으로 아이싱의 강도와 빈도를 결정합니다.
2. 플롯의 크기와 모양을 결정합니다.
   1. 트리 응답을 평가하는 것이 목표인 경우 여러 나무와 대부분의 루트 시스템을 포함할 수 있을 만큼 큰 플롯 크기를 선택하며, 이는 나무 종과 나이 와 같은 요인에 따라 다릅니다.
   2. 안전을 위해 플롯 전체를 경계 외부에서 분사할 수 있도록 플롯을 디자인합니다.
   3. 공간 플롯은 한 플롯의 처리가 다른 플롯에 영향을 미치지 않도록 충분히 떨어져(예: 10m)입니다.
   4. 에지 효과를 줄이고 얼음 커버리지를 더욱 균일하게 분배할 수 있도록 플롯 주위에 버퍼 영역(예: 5m)을 설정합니다.
   5. 특정 샘플링 요구에 대해 더 큰 플롯 내에 서브플롯을 설정합니다.
3. 복제 플롯 수를 결정합니다.

2. 연구 위치 선택 및 설정

1. 나무 종 조성, 토양, 리소로지 및 수문학과 같은 유사한 기능을 갖춘 균일한 숲 스탠드를 선택합니다.
2. 겨울철 수원에 접근할 수 있는 지역에서 응용 프로그램의 위치를 선택합니다.
3. 펌프 속도 및 호스 직경, 호스 길이, 사용된 노즐 사용 및 수압과 같은 기타 요인에 따라 얼음 응용 제품에 물 공급이 적절한지 확인하십시오.
4. 플롯, 버퍼 영역 및 하위 플롯의 경계를 표시합니다.
5. 죽은, 죽고 손상된 나무의 평가를 포함하여 나무 건강 상태에 대한 설명과 함께 완전한 산림 재고를 수행. 또한, 얼음 치료에 대한 반응을 해석하는 데 도움이 되는 잠재적 스트레스(예: 곤충 손상 또는 질병의 증거)를 기록합니다.
6. UTV를 사용하여 물을 분사하는 경우 방해를 최소화하는 동시에 플롯의 측면을 따라 통과 가능한 트레일을 만듭니다.
7. 플롯이 설정되면 각 서브플롯(예: 거친 우디 파편, 미세 쓰레기, 토양 샘플)에서 수행될 각 플롯 및 샘플링 유형에 치료를 임의로 할당합니다.

3. 응용 프로그램의 타이밍

1. 스프레이를 수행하기 위해 적절한 시간 창을 선택합니다.
2. 기상 조건이 도움이 될 때 실험을 수행하십시오 (예를 들어, 공기 온도가 -4 °C 미만이고 풍속이 5m / s 미만인 경우).
3. 밤에 살포하는 경우, 플롯의 가장자리에 고출력 조명을 배포하고 전기를 사용할 수없는 경우 발전기에서 실행합니다.

4. 급수 설정

1. 수원에 공급 펌프를 설치하고 흡입 호스를 연결합니다.
2. 흡입 호스 끝에 여과기를 연결하여 파편을 선 밖으로 유지합니다.
3. 표면 얼음을 뚫고 스트레이너를 완전히 잠급니다. 물 공급의 최소 깊이는 약 20cm이어야한다.
4. 수압을 개선하기 위해 UTV 의 침대에 부스터 펌프를 배치합니다. 경우에 따라 부스터 펌프가 필요하지 않을 수 있으며, 특히 키가 낮은 식물에 적합합니다.
5. 보급 펌프에서 부스터 펌프까지 소방 호스를 실행합니다.
6. 소방 모니터를 사용하여 고압 호스를 안전하고 수동 제어할 수 있습니다. 모니터는 UTV 뒷면에 자유롭게 서 있거나 장착할 수 있습니다.
7. 호스의 꼬임, 공급원의 물 감소, 펌프용 휘발유 부족 과 같은 물의 흐름을 방해할 수 있는 상황을 피하십시오.

5. 얼음 만들기

1. 캐노피의 틈새를 통해 수직으로 물을 뿌리면 얼음을 만듭니다. 물이 캐노피의 높이 이상으로 확장되어 수직으로 증착되고 동결 표면과 접촉하여 얼어 붙는지 확인하십시오. 물이 위쪽으로 뿌려지면서 나무에서 가지를 벗기고 껍질을 벗기지 마십시오.
2. 응용 프로그램 영역의 가장자리를 따라 UTV를 앞뒤로 천천히 운전하여 숲 캐노피에 스프레이를 고르게 분배합니다. 독립형 모니터를 사용하는 경우 수동으로 이동하여 커버리지가 균일하도록 합니다.
3. 응용 프로그램의 타이밍을 추적하여 응용 프로그램 중 기상 조건 및 분무물의 양과 같은 요인을 파악합니다.

6. 얼음 증가 측정

1. 응용 프로그램 영역의 가장자리 근처의 낮은 수준의 가지 또는 나뭇가지에서 방사형 얼음 두께를 측정하여 적용 중에 얼음 증액을 모니터링하고 목표 두께가 달성되었는지 확인합니다.
2. 응용 프로그램 후 수동 얼음 수집기와 얼음 증가의 더 정확한 추정을 얻을(그림 1).
   1. 적용 전에 3개의 추경^축(30)을 중심으로 두 개의 다울로 패시브 아이스 컬렉터를 구성하여 6개의 구성 요소 암이 있는 수집가를 만듭니다.
   2. 길이 30cm로 2.54cm 다울을 자른다.
   3. 6방향 강철 커넥터로 다울에 가입하세요.
   4. 수목원 던지기 무게를 사용하여 얼음 부하를 견딜 수있는 튼튼한 나뭇 가지 위에 낙하산 코드를 묶습니다.
   5. 수동 얼음 수집기를 코드에 부착하여 캐노피에 들어올립니다.
   6. 응용 프로그램이 완료되면 수집가를 지면으로 낮추어 수집가로부터 얼음을 잃지 않도록 주의하십시오.
   7. 얼음 적용 전후(예: 각 팔을 따라 세 위치에서 세 개의 수직 및 수평 측정)의 여러 위치에서 캘리퍼로 얼음 두께를 수직 및 수평 으로 측정합니다.
   8. 각 컬렉터의 얼음 두께를 적용 전과 후에 측정값의 차이로 계산합니다.
   9. 물 부피 방법으로 얼음 두께를 확인하려면 왕복 톱을 사용하여 각 다웰을 잘라냅니다.
   10. 다웰을 가열된 건물에 가져와 양동이에 넣은 다음 실온에서 얼음이 녹아 버릴 수 있습니다.
   11. 졸업한 실린더로 용융수의 양을 측정합니다.
   12. ^{얼음(31)의}물량과 밀도에 따라 얼음 두께를 계산한다.

7. 안전 고려 사항

1. 얼음 하중으로 인해 가지와 사지가 부서지고 떨어질 수 있으므로 스프레이 하는 동안 얼음 처리 영역 밖에서 잘 유지하십시오.
2. 얼음이 적용되는 동안 및 응용 프로그램 후 처리 영역에서 발생하는 샘플링 중에 보호를 제공하기 위해 하드 모자 또는 헬멧을 착용하십시오.
3. 모니터를 사용하여 분무 중에 호스를 안정화합니다.
4. 위험한 조건과 영하의 날씨에 맞게 옷을 입습니다. 밝고 보이는 옷을 입으세요. 비 장비와 따뜻한 옷층을 착용하여 습하고 추운 조건에서 장시간 보낼 준비를 하십시오. 특히 스프레이로 지정된 직원을 위해 여러 가지 옷을 변경하십시오.
5. 원격 위치에서 작업하는 경우 휴대용 히터가 장착된 임시 온난화 텐트를 설치합니다.
6. 직원들이 휴식 시간, 젖은 옷을 갈아입고 장비로 발생하는 문제를 해결할 수 있도록 하십시오.
7. 실험 중에 무선을 사용하여 직원 간에 통신합니다. 기지국의 직원과 연락을 유지합니다.
8. 의료 비상 사태의 경우 안전 계획을 수립하십시오. 실험 중에 의료진(예: 응급 의료 기술자)과 응급 장비 및 물품을 현장에 투입하십시오.

결과

뉴 햄프셔 중심부의 허바드 브룩 실험 숲에서 70\u2012100 년 된 북부 나무 숲에서 얼음 폭풍 시뮬레이션이 수행되었습니다 (43 ° 56′ N, 71 ° 45′ W). 스탠드 높이는 약 20m이며 얼음 응용 분야의 지배적 인 나무 종은 미국 너도밤 나무(파거스 그란디폴리아),설탕 단풍 나무(에이서 사카룸),붉은 단풍 나무(에이서 루브룸)및 노란색 자작 나무(베툴라 알레가니엔시스)입니다. 10 2...

토론

적절한 기상 조건에서 얼음 폭풍의 실험 시뮬레이션을 수행하여 성공을 보장하는 것이 중요합니다. 이전 연구^30에서,우리는 분무에 대한 최적의 조건은 공기 온도가 -4 ° C 이하이고 풍속이 5m / s 미만일 때 가장 일반적으로 발생하는 것으로 나타났습니다 (-1 받는 분의 0 ° C), 얼음 폭풍 시뮬레이션에 대한 이상적인 온도는 추운 경우에도, 그들은 여전히 관찰 된 동결 비 이벤트의 ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Booster pump	Waterax	BB-4-23P	401 L min-1 maximum flow; 30.3 bar maximum pressure
Firefighting hose	ATI Forest Products	Forest-Lite G55H1F50N	3.8 cm diameter, polyester, single jacket
Monitor (ground placement)	Task Force Tips	Blitzfire XX111A	2000 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose
Monitor (UTV mount)	Potter Roemer	Fire Pro FP1S-125	1325 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose
Nozzle	Crestar	ST2675	Smooth bore; double stacked; 3.8 cm intake; 1.3 cm orifice
Strainer	Northern Tool	107902	7.6 cm hose fitting, 17.6 cm outside diameter
Suction hose	JGB Enterprises	A007-0489-1615	7.6 cm diameter; 4.6 m long
Water pump	NorthStar	106471E	665 L min-1; fits 7.6 cm hose